陳湘源

(榆林神華能源有限責(zé)任公司， 陜西 榆林 719000)

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智能一體化后備電源研制

陳湘源

(榆林神華能源有限責(zé)任公司， 陜西 榆林 719000)

針對煤礦井下分散式供電存在可靠性低、抗干擾能力差、后備電池容量不方便擴展等問題，研制了智能一體化后備電源，詳細(xì)介紹了該電源的工作原理和組成。該電源抗干擾能力強，具有過壓、過流、短路等故障的快速診斷、快速定位功能，可防止電池組過放電，為數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)提供了可靠、經(jīng)濟、安全的不間斷供電。

煤礦供電； 分散式供電； 逆變技術(shù)； 故障診斷; 放電管理

0 引言

目前，大多數(shù)煤礦裝備了監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等各類數(shù)字化礦山系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備分布廣，布置比較分散[1]，大多采用分散式供電模式，就近接入巷道內(nèi)排水、照明供電系統(tǒng)，可靠性較差，供電發(fā)生故障后停電時間長，無法保證數(shù)字化礦山系統(tǒng)可靠運行，影響煤礦安全生產(chǎn)。

分散式供電模式主要是指各類系統(tǒng)的隔爆兼本安不間斷電源取電自不同饋電開關(guān)，如圖1所示。

分散式供電模式具有接線方便等優(yōu)點[2]，但此種方式亦存在某些局限性。

圖1 分散式供電取電方式

(1) 電池容量擴展性差?，F(xiàn)有隔爆兼本安不間斷電源不具備擴展接口，當(dāng)需要提高本質(zhì)安全設(shè)備不間斷供電時間時，只能通過外掛電池箱增加系統(tǒng)續(xù)航時間。

(2) 使用范圍窄。難以實現(xiàn)隔爆交換機、隔爆PLC等設(shè)備AC127 V的接入，無法實現(xiàn)隔爆PLC、隔爆交換機等設(shè)備的不間斷供電。

(3) 供電質(zhì)量較差。由于井下變頻器的干擾，饋電開關(guān)的輸出電壓存在較大的畸波，從而影響被供電設(shè)備的可靠性。

(4) 無電源管理功能。當(dāng)設(shè)備故障時無法實現(xiàn)故障診斷，無法實現(xiàn)實時報警。

針對分散式供電模式存在的局限性，筆者研制了智能一體化后備電源，可為數(shù)字化礦山各類系統(tǒng)提供可靠、經(jīng)濟、安全的不間斷供電。

1 電源工作原理及組成

1.1 電源工作原理

智能一體化后備電源主要由電源主機、電池箱、隔爆兼本安電源3部分組成。智能一體化電源工作原理如圖2所示。

圖2 智能一體化電源工作原理

正常工作時，AC660/1 140 V輸入到電池箱，對電池箱中電池充電；市電存在時,AC660/1 140 V輸入到電源主機，經(jīng)過內(nèi)部變壓器、逆變電路后輸出AC127 V,為隔爆兼本安電源、PLC、交換機等設(shè)備供電。

當(dāng)交流斷電時，多組電池箱的直流輸出到電源主機，經(jīng)過DSP逆變控制電路，實現(xiàn)AC127 V的不間斷供電，保證各類系統(tǒng)隔爆兼本安電源的不間斷供電。

通信接口采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，通信協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議，方便該電源與各類系統(tǒng)及傳輸設(shè)備互聯(lián)互通。

1.2 電源組成

1.2.1 電源主機

電源主機是一體化后備電源的重要組成部分，以DSP為核心，DSP選用TMS320F28035。TMS320F28035是高性能的32位處理芯片，具有豐富的外設(shè)資源，完全可以滿足智能一體化后備電源的需要。主機DSP逆變控制電路如圖3所示，DSP完成AD轉(zhuǎn)換、PWM波產(chǎn)生、雙閉環(huán)控制算法等，其中，PWM模塊實現(xiàn)定時、計數(shù)比較、死區(qū)控制、載波發(fā)生等功能，有效實現(xiàn)對整個電源的保護。

正常工作時，DSP 處理器的ADC模塊實時檢測電源主機、電池箱輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流等模擬狀態(tài)量信息，當(dāng)電池箱輸入電壓低于DC20 V時,切斷AC127 V的輸出，防止電池組過放電。

圖3 主機DSP逆變控制電路

通過電平轉(zhuǎn)換的隔離光耦有效實現(xiàn)故障狀態(tài)等開關(guān)量信息的檢測及隔離，防止127 V高電壓對控制電路的干擾，通過專用PID算法對PWM驅(qū)動模塊進行有效控制。

當(dāng)出現(xiàn)輸入缺相、輸入過壓、輸出短路、輸出過載、輸出低壓、通風(fēng)機過熱等故障情況，或電池箱出現(xiàn)電壓過低、電壓過高、輸出放電過流等系統(tǒng)設(shè)備的非正常工作狀態(tài)時，通過DSP的實時檢測、分析、通信、報警等功能，可實現(xiàn)整個智能一體化后備電源的可靠工作。過流、過壓保護電路如圖4所示。

DSP程序包括系統(tǒng)初始化、各外設(shè)模塊和變量初始化、保護控制操作及循環(huán)程序。主程序流程如圖5所示,中斷子程序流程如圖6所示。

1.2.2 電池箱

電池箱后備電池選擇60 A·h的磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池全新的實驗室理論值有2 800次壽命，即經(jīng)過了2 800次完整的DOD(Depth of Discharge，放電深度)依然可保證電池容量不小于80%，安全系數(shù)高，完全可滿足現(xiàn)場的使用要求。

鋰電池充放電管理電路如圖7所示，選擇LTC6803-3作為管理芯片，實現(xiàn)了8節(jié)電池的充放電管理。LTC6803-3內(nèi)置12位ADC、一個精準(zhǔn)型電壓基準(zhǔn)、一個高電壓輸入多路復(fù)用器和一個串行接口。每個LTC6803-3能夠測量多達(dá)12個串接電池或超級電容器的電壓。通過運用一個獨特的電平移位串行接口可以把多個器件串聯(lián)起來，以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池的電壓，每個電池輸入具有一個相關(guān)聯(lián)的MOSFET電源開關(guān)，用于對過度充電的電池進行放電，在內(nèi)部將電池組的底端與電池負(fù)極相連。

(a) 過流保護電路

(b) 過壓保護電路

圖5 主程序流程

圖6 中斷子程序流程

由于該電池箱選用磷酸鐵鋰電池作為后備電池，故要求其具有完善的保護機制。在電池箱正常充、放電過程中，單體電池的最高溫度應(yīng)不超過60 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過55 ℃時實現(xiàn)報警，超過60 ℃時實現(xiàn)充放電回路斷電；電池箱采用隔爆型式，其外殼防爆結(jié)構(gòu)、性能和標(biāo)志應(yīng)滿足GB 3836.1—2010的要求，其中放置電池的隔爆腔體能承受不小于1.5 MPa的靜壓試驗。同時設(shè)計該電池箱時應(yīng)保證磷酸鐵鋰蓄電池放置在獨立的隔爆腔內(nèi)，且該隔爆腔內(nèi)只放置電池管理系統(tǒng)中檢測單體電池溫度的傳感元件和防止鋰離子蓄電池安裝時發(fā)生短路的熔斷器，不應(yīng)放置其他電氣元件，有效提高了整個設(shè)備的可靠性。

圖7 鋰電池充放電管理電路

電池箱具有比較全面、準(zhǔn)確的保護機制，具有單體電池過充電壓保護功能、單體電池過充電壓保護失效檢測功能、單體電池過放電壓保護功能、單體電池過放電壓保護失效檢測功能、充電過流保護功能、放電過流保護功能、輸出短路保護功能、溫度保護功能、均衡充電控制功能、電池信息采集線開路保護功能。

1.2.3 隔爆兼本安電源

隔爆兼本安電源主要由隔離變壓器、AC/DC開關(guān)電源、控制板、電源板、電池管理系統(tǒng)、電池組等組成，原理如圖8所示。不同電壓等級的交流輸入經(jīng)保險管進隔離變壓器的輸入端。隔離變壓器的輸出連接AC/DC開關(guān)電源，AC/DC開關(guān)電源輸出穩(wěn)定的直流電壓。該直流電源分2路輸出：一路經(jīng)充放電電路連接蓄電池；另一路經(jīng)DC/DC和本安保護電路得到穩(wěn)定的本質(zhì)安全電源輸出。當(dāng)交流電停電時，蓄電池中儲存的電能通過電源控制板放電，保持穩(wěn)定的電源輸出，實現(xiàn)不間斷供電功能。液晶顯示板可顯示本安輸出電源是否正常信息、電池狀態(tài)信息、交流電狀態(tài)信息，并可將這些信息通過RS485總線上傳到控制板。

圖8 隔爆兼本安電源原理

該電源主要用于為ib等級本質(zhì)安全設(shè)備供電，故采用雙重化的本質(zhì)安全保護電路，目前本質(zhì)安全保護技術(shù)主要包括3種：一種是恒流耗能式保護電路，此種保護方式多采用功率電阻或其他功率器件作為保護器件實現(xiàn)本質(zhì)安全輸出保護，具有電路簡單、成本低等優(yōu)點，但無效損失太大，熱量高，使用受限；另一種是截止式的保護電路，此種保護方式多采用開關(guān)管FET實現(xiàn)本質(zhì)安全輸出保護，具有保護反應(yīng)速度快、本質(zhì)安全值較大等優(yōu)點，但靈敏度太高，環(huán)境中瞬時的EMC干擾將影響本質(zhì)安全保護，從而影響設(shè)備的正常工作；還有一種是減流式的保護電路，此種保護方式是上述2種保護方式的結(jié)合，首先實現(xiàn)恒流保護，當(dāng)恒流保護超時才實現(xiàn)截止保護，此種方式可把浪涌電流限制在一定范圍內(nèi)，有效實現(xiàn)了設(shè)備供電的可靠性，提高了整機本質(zhì)安全輸出的EMC性能，文中的本質(zhì)安全保護電路采用減流式保護電路。

2 電源實現(xiàn)的功能

(1) 建立了完善的設(shè)備保護機制，任一臺單機設(shè)備的輸出、輸入故障均不影響整個系統(tǒng)的正常工作。

(2) 智能一體化電源可以通過實驗室“傳導(dǎo)輻射、靜電放電抗擾度、射頻電磁場、浪涌沖擊、電快速瞬變/脈沖群抗擾度”試驗[3]，保證整個數(shù)字化礦山供電系統(tǒng)現(xiàn)場運行的設(shè)備不受電磁干擾的影響。

(3) 實現(xiàn)了數(shù)字化礦山供電系統(tǒng)不間斷供電時間的擴展，通過多臺電池箱的接入，滿足不同負(fù)荷功率設(shè)備供電的個性化要求，電池箱固定采用物理疊加的加固方式，空間上形成整體化的擺放，有效減小了整體體積。

(4) 可實現(xiàn)輸入過壓、輸入過流、輸入短路等故障的快速診斷和快速定位，有效保證了電源的安全。具有短路、后備電池虧電容量不足等自診斷功能；采用動態(tài)圖形界面展示出系統(tǒng)供電狀態(tài)、電源設(shè)備的工作狀態(tài)，方便用戶直觀了解整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)[4]。

(5) 實現(xiàn)了電池的統(tǒng)一管理，通過挖掘后備電池充放電歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)前電池的荷電容量、電壓等數(shù)據(jù)實現(xiàn)了電池狀態(tài)的專家分析，可提供專業(yè)的充放電解決方案，杜絕了電池長期浮充、過放等損害電池的操作，有效延長了電池的使用壽命；實現(xiàn)了專業(yè)的電池容量診斷功能，具有預(yù)防式的后備電池提醒功能，以便事先采取措施，預(yù)防后備電池放電時間不滿足要求的情況發(fā)生[5]。

3 結(jié)語

智能一體化后備電源實現(xiàn)了數(shù)字化礦山安全、可靠、經(jīng)濟的供電，解決了分散式供電模式存在的問題，提高了被供電設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性。目前，該電源已在神華某大型礦井得到成功應(yīng)用，核心重點區(qū)域不間斷供電可以達(dá)24 h以上，得到了用戶的好評。

[1] GB 3836.4—2010爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備[S].

[2] 周書偉.UPS集中供電在深圳地鐵中的應(yīng)用[C]∥2013年軌道交通電氣與信息技術(shù)國際學(xué)術(shù)會議(EITRT2013)，長春，2013：28-30.

[3] 孔慶宇，陳凱利.井下供電標(biāo)準(zhǔn)化管理創(chuàng)新研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(增刊1)：52-57.

[4] 李飛.淺析井下供電監(jiān)控技術(shù)[J].機械管理開發(fā)，2014，29(1)：55-57.

[5] 吳秀文.煤礦井下供電系統(tǒng)安全問題解決措施[J].科技與企業(yè)，2013(5)：26.

Development of integrated intelligent backup power supply

CHEN Xiangyuan

(Yulin Shenhua Energy Co., Ltd., Yulin 719000, China)

In view of problems of low power supply reliability, poor anti-interference ability and inconvenient extension of backup battery capacity existed in coal mine underground distributed power supply, an integrated intelligent back-up power supply was developed, working principle and composition of the power supply were introduced in detail. The power supply has strong anti-interference capability, rapid fault diagnosis, rapid fault positioning function for over voltage, over current, short circuit. The power supply can prevent battery discharge, and provides reliable, economic, safe and uninterrupted power supply for all kinds of digital mine system.

coal mine power supply; distributed power supply; inverter technology; fault diagnosis； discharge management

1671-251X(2016)11-0081-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.020

陳湘源.智能一體化后備電源研制[J].工礦自動化，2016,42(11)：81-84.

2016-04-05；

2016-09-28；責(zé)任編輯：張強。

陳湘源(1972-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，注冊安全工程師，現(xiàn)主要從事信息自動化管理方面的工作，E-mail:11632002@shenhua.cc。

TD611

A

時間：2016-10-28 16:33

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1633.020.html